(57)【要約】      （修正有）【課題】  プラスチック表面にマイクロ流路を平滑でかつ高い精度で精密に形成する方法を提供するものであり、更にはその方法によって作成された各種プラスチック製品、特にプラスチック製バイオチップやマイクロ分析チップを提供すること。【解決手段】プラスチックからなる表面に、幅１ｍｍ以下、深さ１ｍｍ以下のマイクロ流路を形成する方法において、（１）切削及び／又は成形による流路作成の工程、及び（２）溶融工程、溶解工程、及び研磨工程から選ばれる少なくとも一つの平滑性改善のための流路部の処理工程、を含むことを特徴とするプラスチックへのマイクロ流路形成方法。及びそれによって得られたプラスチック製品。特にプラスチック製のバイオチップまたはマイクロ分析チップ。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチックからなる表面に、幅１ｍｍ以下、深さ１ｍｍ以下のマイクロ流路を形成する方法において、（１）切削及び／又は成形による流路作成の工程、及び（２）溶融工程、溶解工程、及び研磨工程から選ばれる少なくとも一つの平滑性改善のための流路部の処理工程、を含むことを特徴とするプラスチックへのマイクロ流路形成方法。
【請求項２】
前記(１)の流路作成の工程において、エンドミルを使用する切削工程を含む請求項１記載のプラスチックへのマイクロ流路形成方法。
【請求項３】
前記（２）の平滑性改善の処理工程において、少なくともマイクロ流路の一部を、加工対象となるプラスチックの熱変形温度以上の温度により加熱処理する処理工程を含む、請求項１又は２記載のプラスチックへのマイクロ流路形成方法。
【請求項４】
前記（２）の平滑性改善の処理工程において、少なくともマイクロ流路の一部を、加工対象となるプラスチックを溶解する能力を有する溶剤でディッピング、噴霧、塗布、又は転写する処理工程を含む、請求項１又は２記載のプラスチックへのマイクロ流路形成方法。
【請求項５】
前記（２）の平滑性改善の処理工程において、少なくともマイクロ流路の一部を、１μｍ以下の固形粒子を含有する砥粒子を使用して研磨する処理工程を含む、請求項１又は２記載のプラスチックへのマイクロ流路形成方法。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか記載のマイクロ流路形成方法によって形成されたマイクロ流路を有するプラスチック製品。
【請求項７】
マイクロ流路の底面の平滑性がＲａで０．２μｍ以下である請求項６記載のプラスチック製品。
【請求項８】
請求項６又は７記載のプラスチック製品から構成されるプラスチック製のバイオチップまたはマイクロ分析チップ。
【請求項９】
核酸チップ、プロテインチップ、抗体チップ、アプタマーチップ、及び糖タンパクチップから選ばれる少なくとも１つである請求項８記載のプラスチック製のバイオチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラスチックに平滑で微細なマイクロ流路を形成する方式に関するものであり、さらにその方式を利用して製造したプラスチック製品に関するものであり、特にプラスチック製バイオチップまたはマイクロ分析チップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、創薬研究や臨床検査のハイスループット化を達成する手段として、生理活性物質を固層基板上に固定化したデバイスであるバイオチップが注目されている。固定化される生理活性物質としては、核酸、たんぱく質、抗体、糖鎖、糖タンパク、アプタマーなどが代表的なものであり、特に核酸を固定化したバイオチップである核酸マイクロアレイはすでに多数の商品が上市されている。チップの形態としては、平板の基板上に各種生理活性物質がスポットされ固定化されている形態であり、主に研究機関における研究分析用に活用されている。
【０００３】
さらに近年、マイクロ分析チップとか、μＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ  ｔｏｔａｌ  ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）とか、ラボオンチップと呼ばれる、微細加工技術を利用した化学反応や分離、分析システムの微小化の研究が盛んになっており、マイクロチャネル（微細流路）上で各種の化学反応、特に生理学的反応を行うことが可能となっている。このシステムにおいては、微少量のサンプルを迅速分析できるため、この特長を生かした次期のバイオチップ、特に医療機関における診断用バイオチップとして商品化されることが期待されており、注目されている（これ以降、これらのシステムを、マイクロ分析チップと称する）。
【０００４】
このバイオチップや、マイクロ分析チップは、現在はガラス製のものが主流である。ガラス基板でマイクロ分析チップを作成するためには、たとえば、基板に金属、フォトレジスト樹脂をコートし、マイクロチャネルのパターンを焼いた後にエッチング処理を行う方法がある。しかしガラスは大量生産に向かず非常に高コストであり、プラスチック化が望まれている。
【０００５】
プラスチック製のバイオチップやマイクロ分析チップは、種々のプラスチックを用いて射出成形等の各種の成形方法で製造することが可能であり、効率よく経済的なチップ製造が可能であるため、大量生産に向いている。しかし反面、その欠点として少量生産に不向きという特徴がある。射出成形のためにはいちいち金型を準備せねば成形ができないからである。更に重要な問題としては、成形時におけるひずみ、ゆがみ、表面あれなどの問題が生じ易く、必ずしも設計どおりの成形品を得ることができるわけではないという問題がある点である。またマイクロ流路のように微細な部分を持つ金型作成は一般的にはかなり難しく、金型表面の平滑性や精度を十分高く保てるわけではないことも、成形品の加工精度劣化の問題に関係する。すなわち成形加工は大量生産には向くが、少量多品種の生産性に劣り、更には本特許の対象となるマイクロ流路の加工においては加工精度に問題がある。
【０００６】
次に、プラスチック製品を少量多品種製造する場合、よく用いられる方法としては切削加工があげられるが、プラスチックは軟化点が低く切削屑が溶け付きやすく、さらに弾性が有り柔らかいために切削加工面がきれいに仕上がらないという特徴がある。その問題を解決するため、エンドミル等の切削治具の形状を工夫する場合があるが（特許文献１）、加工サイズが小さくなると上記問題は顕著になり、バイオチップやマイクロ化学チップに利用されるマイクロ流路の形成を切削加工で行おうと試みると加工面が非常に汚いことが多く、最適加工条件を見出せない、もしくは見出すのに時間がかかることが多い。すなわち切削加工は少量多品種生産には向くが、本特許の対象とするマイクロ流路の加工においては加工精度が不十分に問題がある。以上より、プラスチック製のマイクロ流路を得ようとした場合、現在の成形加工や切削加工やその両者の複合では加工精度の点で不十分であり、特に流路の表面の平滑性が不十分であり、市場の要求を満たさない場合も多い。
【０００７】
【特許文献１】特許公開２００２−２１０６０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、マイクロ流路を、プラスチック表面にきわめて平滑でかつ高い精度で精密に形成する手法について提示するものであり、さらにはそれにより作成された各種プラスチック製品、特にプラスチック製バイオチップやマイクロ分析チップを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、単なる切削加工及び／又は成形加工による流路作成の工程だけではなく、各種の平滑性改善の工程を加味することにより、平滑性良好で精度も良いプラスチック製のマイクロ流路を作成できることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
すなわち本発明は、
１．  プラスチックからなる表面に、幅１ｍｍ以下、深さ１ｍｍ以下のマイクロ流路を形成する方法において、（１）切削及び／又は成形による流路作成の工程、及び（２）溶融工程、溶解工程、研磨工程から選ばれる少なくとも一つの平滑性改善の処理工程、を含むことを特徴とするプラスチックへのマイクロ流路形成方法、
２．  前記(１)の流路作成の工程において、エンドミルを使用する切削工程を含む１．記載のプラスチックへのマイクロ流路形成方法、
３．  前記（２）の平滑性改善の処理工程において、少なくともマイクロ流路の一部を、加工対象となるプラスチックの熱変形温度以上の温度により加熱処理する処理工程を含む、１．又は２．記載のプラスチックへのマイクロ流路形成方法、
４．前記（２）の平滑性改善の処理工程において、少なくともマイクロ流路の一部を、加工対象となるプラスチックを溶解せしめる能力を有する溶剤をディッピング、噴霧、塗布、又は転写する処理工程を含む、１．又は２．記載のプラスチックへのマイクロ流路形成方法、
５．前記（２）の平滑性改善の処理工程において、少なくともマイクロ流路の一部を、１μｍ以下の固形粒子を含有する砥粒を使用して研磨する処理工程を含む、１．又は２．記載のプラスチックへのマイクロ流路形成方法、
６．  １．〜５．いずれか記載のマイクロ流路形成方法によって形成されたマイクロ流路を有するプラスチック製品、
７．  マイクロ流路の底面の平滑性がＲａで０．２μｍ以下である６．記載のプラスチック製品、
８．  ６．又は７．記載のプラスチック製品から構成されるプラスチック製のバイオチップまたはマイクロ分析チップ、
９．  核酸チップ、プロテインチップ、抗体チップ、アプタマーチップ、及び糖タンパクチップから選ばれる少なくとも１つである８．記載のプラスチック製のバイオチップ、
である。
【発明の効果】
【００１１】
プラスチック製バイオチップやマイクロ分析チップを作成する場合、本発明の製造方法を利用することにより、従来方式と比較して得られた流路の平滑性が非常に高く、液体の流動や、微量物質の検出に問題が無く、高性能のマイクロ流路を作成することが可能となる。さらにその方法で高性能のバイオチップやマイクロ分析チップを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明は、プラスチックに流路加工の工程と平滑性改善の工程の両者を処理することにより、きわめて高性能のマイクロ流路を容易に作成することのできる製造方法に関するものであり、更にそれによって製造されたプラスチック製品、特にバイオチップやマイクロ分析チップに関するものである。なお本発明におけるマイクロ流路とは、幅１ｍｍ以下、深さ１ｍｍ以下の溝を指す。溝の形状は特に限定はしない。直線、屈曲、円弧、分岐、それらの複合、その他のどのような形状でも問題は無い。溝の断面形状も特に限定しない。矩形でも三角形でも半円形でも貫通孔でもそれらの複合形でも問題は無い。
【００１３】
本発明に使用されるプラスチックとは、たとえば高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、各種環状ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリノルボルネン、ポリフェニレンオキサイド、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン、各種シリコーン樹脂、半硬化もしくは完全硬化状態のフェノール樹脂、半硬化もしくは完全硬化状態のエポキシ樹脂、その他各種の熱可塑性もしくは熱硬化性プラスチック全般のことを示す。プラスチックの種類や重合度、融点やＴｇや弾性率、光の透過率、ガスバリヤ性などの物性に関して特に限定するものではない。また複数のプラスチックの複合体でも問題は無い。さらにプラスチックの表面又は内部に、金属、金属酸化物、各種無機物質、生理活性物質、各種油状物質等が混合／塗布／接着／埋設されていても問題は無い。
【００１４】
本発明で使用される流路加工の工程は、切削加工及び／又は成形加工を対象とする。成形加工は、成形方式に限定はない。インジェクション成形、ホットエンボッシング成形、トランスファ成形、コンプレッション成形などが好適に使用される。また成形温度や加圧の圧力、金型の平滑性や形状などの成形条件についても一切限定は無い。切削加工は、プラスチック表面を機械的な加工により切削されるものであれば特に限定しない。例えば、各種エンドミルによる切削加工、各種バイトによる切削加工、各種研磨装置による研磨加工、その他などがあげられるが、特に機械的切削加工であれば加工の種類、装置の詳細、切削用治具の形状、材質、及び表面状態に関しても特に限定はしない。ただしエンドミル、特に外径０．５ｍｍ以下のマイクロエンドミルによる切削加工がもっとも好適に利用される。また切削加工と成形加工の併用による加工、例えば成形加工で大まかな成形品を得た後に、切削加工により微小部分の加工を追加したり貫通孔を追加したりする処理に関しても一切限定はしない。
【００１５】
本発明における重要な技術的要素として、上述した流路作成の工程に加えて、各種の平滑化改善の処理工程を加味することにより、比較的容易に平滑性良好で精度良好なマイクロ流路を作成することが可能であることを見出し本発明に至った。なお流路作成工程と平滑化改善工程を行なう順番は特に限定しない。流路作成工程の後に平滑化改善工程を入れるか、流路作成工程と平滑化改善工程を同時に行うか、それらの複合のいずれでも問題は無い。本特許における平滑化加工の工程としては、溶融、溶解、研磨のいずれか一つもしくはこれらの複数を複合した処理を対象とする。以下に溶融、溶解、研磨の各処理について詳細に説明する。
【００１６】
本発明に使用する溶融処理とは、加熱により加工対象のプラスチックの一部もしくは全体を軟化させて加工する処理を示す。ここで言う加熱とは、室温よりも高い温度雰囲気に置くことを示すが、より望ましくはプラスチックの熱変形温度以上であることが望ましい。熱変形温度の計測方法に関しても特に限定しないが、例えばＡＳＴＭ  Ｄ６４８に示されるような荷重たわみ温度の計測方法により得られた数値を熱変形温度と認識することが好適である。加熱方法に関しても特に限定はしないが、例えば赤外線、遠赤外線による加熱や、オイルバスなどによる加熱や、レーザーによる加熱や、加熱された細い棒状の治具を流路に直接押しあてることにより加熱する方式や、細い棒状の治具やドリルを高速回転させて流路面に接触させて発生する摩擦熱で過熱する方法などがとられるし、これらの単独でもあるいは複数の方式の併用でも問題は無い。
【００１７】
本発明に使用する溶解処理とは、溶剤により加工対象のプラスチックの一部もしくは全体を溶かして加工する処理を示す。ここで言う溶剤とは、プラスチックと親和性のある液体又は超臨界流体又は蒸気や、親和性のある液体のエロゾル又は固体含有のスラリーを示す。ここで言う親和性とは、加工対象となるプラスチックを微量でも溶解させる能力を有する性能のことを示す。親和性の有無を判別する方法に関しては特に限定はしないが、例えば大過剰の溶剤にプラスチックの小片を投入し、室温にて２４時間攪拌した後にプラスチック小片を取り出した場合、その溶剤にプラスチック小片が溶解してプラスチック小片の重量が減少した場合や、逆にプラスチック小片が溶剤を吸収して膨潤して重量増加と変形が観測される場合に、その溶剤はプラスチックと親和性があると判断される。溶剤処理方法についても特に限定しないが、スプレーガンによる噴霧、コーティング装置による塗布、ディッピングなどが好適に利用される。
【００１８】
本発明に使用する研磨処理とは、各種研磨処理によって加工対象のプラスチックの一部又は全体を研磨して加工する処理を示す。ここで言う研磨処理とは、硬度の比較的高い固体物質との接触によりプラスチック表面が削られる加工全般のことを示し、特定の方法に限定しない。例としてはサンドペーパーを利用した研磨、砥粒配合したスラリーやペーストを利用してのバフ研磨、ダイヤモンド砥石による研磨、サンドブラスト処理等が例として挙げられるが、より好適には平均粒径が１μｍ以下である砥粒を配合したスラリーを利用してバフ研磨等の研磨作業を行なうことが、簡便ゆえに望ましい。
【００１９】
本発明の、流路加工工程と平滑化改善工程を併用した方式により得られる流路は、流路表面が極めて平滑で表面粗さの計測数値が小さいことに加え、操作型顕微鏡写真などによる観察結果ではとがったツールマーク、バリ、ひびなどのない特異な流路を形成することができるため、通常の加工方式による流路と本発明の加工方式による流路は比較的容易に区別することが可能である（図１、２参照）。
【００２０】
本発明における、切削加工と溶剤処理加工を併用することによって得られたプラスチック製品は、その使用目的、使用方法等に関して一切制限しない。ただしバイオチップまたはマイクロ分析チップ、特に核酸チップ、プロテインチップ、抗体チップ、アプタマーチップ、及び糖タンパクチップ等のプラスチック製のバイオチップが好適な用途例として挙げられる。
【００２１】
本発明により得られたマイクロ流路における表面の加工精度は、Ｒａで０．２μｍ以下であることが望ましい。バイオチップ等に利用する場合、生理活性物質等の微量成分の検出、計測することが目的である。そのためには光学的な検出装置を利用してバイオチップから計測する場合が多いが、そのときにマイクロ流路の平滑性が劣悪であると計測用の光が散乱もしくは屈曲し、精度良く計測することが困難となるため、可能な限りマイクロ流路の平滑性をあげておく必要があるのである。非接触型のレーザー型表面粗さ計による計測において、Ｒａが０．２μｍを超えると、上記理由により微量成分の光学検出・計測が困難となり、望ましくない。
【実施例】
【００２２】
以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
【００２３】
(実施例１)
２ｃｍ角で厚さ１ｍｍのアクリル樹脂（熱変形温度１５０℃）のシートに、図３に示したようなマイクロ流路（幅０．３ｍｍ、長さ１５ｍｍ、深さ０．１ｍｍ）をホットエンボス成形により加工した。成形金型はアルミブロックを切削加工で加工したものからニッケル電鋳で雌型をとりそれを金型として利用した。成形温度は１２０℃、プレス圧力は５Ｐａであった。マイクロ流路の成形後、貫通孔（内径１ｍｍ）をドリルにより開けて成形品を得た。さらに表面温度２００℃の熱板と流路加工した成形品表面とを近づけ、距離５ｍｍで１分間放置することにより加熱処理を行った。
【００２４】
（実施例２）
２ｃｍ角で厚さ１ｍｍの環状ポリオレフィンのシートに、０．３ｍｍ径のエンドミルにより切削加工を施し、図３に示したようなマイクロ流路（幅０．３ｍｍ、長さ１５ｍｍ、深さ０．１ｍｍ）及び貫通孔（内径１ｍｍ）を加工した。
加工条件としては１万５千回転（ｒｐｍ）、送り速度は０．５ｍｍ／秒とした。エンドミル加工中に、シクロヘキサン（環状ポリオレフィンに対する溶解度は無限大）をスプレーガンにてごく微量噴霧し続けた。加工後、減圧乾燥機により乾燥処理を行った。流路部の拡大写真を図２に示した。
【００２５】
（実施例３）
２ｃｍ角で厚さ１ｍｍのアクリル樹脂のシートに、０．３ｍｍ径のエンドミルにより切削加工を施し、実施例２と同様のマイクロ流路及び貫通孔を加工した。加工条件としては１万５千回転（ｒｐｍ）、送り速度は０．５ｍｍ／秒とした。エンドミル加工の後で、平均粒径０．２μｍのコロイダルシリカを含有した水系のシリカゾルを利用し、バフ研磨を行った。回転数１００ｒｐｍで３分間研磨した後に水洗した。
【００２６】
（比較例１）
実施例１において、２００℃の熱版処理を行なわずに同様の実験を行った。
【００２７】
（比較例２）
実施例２において、シクロヘキサン噴霧を行なわずに同様の実験を行った。流路部の拡大写真を図１に示した。
【００２８】
（比較例３）
実施例３において、バフ研磨を行なわずに同様の実験を行った。
【００２９】
（評価方法１）
レーザー式非接触方表面形状測定器を用いて、実施例１〜３及び比較例１〜３で得たマイクロ流路の表面粗さを計測した。
【００３０】
（評価方法２）
実施例１〜３及び比較例１〜３で得た加工品を、２ｃｍ角で厚さ１ｍｍのアクリルもしくは環状ポリオレフィンのシート（未加工のもの）と重ね、プレスにより１５０℃２０分で熱圧着を行った。得られた製品のマイクロ流路部に水を満たし、その状態で熱レンズ顕微鏡を利用して計測を試みた。
【００３１】
（評価結果）
表1にマイクロ流路の表面粗さ（Ｒａ）及び熱レンズ顕微鏡による計測結果を示す。比較例はマイクロ流路の表面粗さが粗く、その結果熱レンズ顕微鏡による計測が困難であるのに対し、実施例は何れも熱レンズ顕微鏡による計測が可能であることが確認された。
【００３２】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の切削加工方法による切削加工後の流路部の拡大写真（比較例２）
【図２】本発明の切削加工方法による切削加工後の流路部の拡大写真（実施例２）
【図３】実施例、比較例におけるマイクロ分析チップの部品の形状を示す平面の模式図及び断面の模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  アクリル樹脂又は環状ポリオレフィンのシート
２  成形加工又は切削加工によって加工されたマイクロ流路
３  切削加工によって得られた貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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